Bombas de calor

Trabalho realizado por: Adriana Moreira e Daniela Moreira, no âmbito da unidade curricular de Integração e Intensificação de Processos, do Mestrado Integrado em Engenharia Química. Departamento de Engenharia Química, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2018 / 2019.

Definição

Figura 1 - Bomba de Calor.

Uma bomba de calor é um equipamento que absorve calor de uma fonte de calor de temperatura relativamente baixa e liberta-o para um meio mais quente.

As Bombas de calor (Figura 1) são projetadas para mover a energia térmica na direção oposta do fluxo de calor espontâneo, transferindo calor de uma temperatura baixa para um meio de temperatura mais alta. A potência externa usada pela bomba de calor é para realizar o trabalho de transferir energia do meio frio para o meio quente e não para gerar diretamente aquecimento ou arrefecimento. As bombas de calor são constituídas por um compressor, um condensador, uma válvula de expansão, um evaporador e um líquido refrigerante.

Princípio de Funcionamento

A transferência de calor ocorre no sentido de altas temperaturas para baixas temperaturas, sem a necessidade de dispositivos externos. Pelo contrário, para que ocorra a transferência de calor de uma temperatura mais baixa para uma temperatura mais elevada, requer dispositivos especiais que operam num ciclo termodinâmico, designado por refrigeração. Assim, para realizar essa transferência de energia, o refrigerador recebe energia externa na forma de trabalho ou calor do ambiente. O ciclo de refrigeração mais utilizado é o ciclo de refrigeração por compressão a vapor (Figura 2), que envolve quatro componentes principais: um compressor, um condensador, uma válvula de expansão e um evaporador. No ciclo de refrigeração por compressão a vapor, o refrigerante entra no compressor como um gás e é comprimido até a pressão do condensador. O gás deixa o compressor a uma temperatura relativamente alta e quando chega ao condensador este arrefece e condensando à medida que passa pelas bobinas do condensador, rejeitando o calor para o meio circundante. De seguida, o refrigerante entra numa válvula de expansão, onde a pressão e temperatura diminuem drasticamente devido ao efeito de estrangulamento. O refrigerante de baixa temperatura entra então no evaporador, onde é evaporado, absorvendo o calor do espaço refrigerado. O ciclo é concluído quando o refrigerante sai do evaporador e entra novamente no compressor. O objetivo de uma bomba de calor passa por manter um espaço aquecido a uma temperatura alta. Isso é conseguido absorvendo calor de uma fonte de baixa temperatura, como água, terra ou ar frio no inverno, e fornecendo este calor para o meio de alta temperatura.

Figura 2- Ciclo termodinâmico de uma Bomba de Calor.

Eficiência das bombas de calor

Eficiência das bombas de calor é medida pelo coeficiente de desempenho, o COP. Este, é definido pela relação entre o calor total fornecido pela bomba de calor e quantidade de eletricidade necessária para acionar a bomba de calor. Quanto maior o valor de COP maior é a eficiência da bomba. No entanto, sabe-se que a maior parte da energia elétrica necessária para acionar o compressor é libertada para o líquido refrigerante na forma de calor. Assim, há maior disponibilidade de calor no condensador do que o calor extraído no evaporador. A definição de COP, para uma bomba de calor, é normalmente expressa em COPh:

O COPh, depende de vários fatores, entre eles destaca-se a diferença de temperatura entre a condensação e a evaporação, ou seja, quando a temperatura de evaporação é elevada leva a um aumento no COPh, no entanto quando a temperatura de condensação é baixa o valor do COPh é menor. Logo, quanto menor a diferença de temperaturas entre a condensação e a evaporação, menor é o COPh (Figura 3) e, por conseguinte, menor é eficiência. Outros fatores que influenciam a eficiência é o tipo de refrigerante utilizado, o controlo do sistema, a eficiência de equipamentos periféricos como ventiladores, bombas, etc .

Figura 3 - Variação do COPh com a diferença de temperatura de condensação e de evaporação .

O cálculo da eficiência máxima teórica, é descrito pela eficiência de Carnot (Equação 2):

Esta eficiência é descrita para um ciclo de compressão ideal e depende da temperatura de condensação e de evaporação. Contudo, na prática, tal não é possível, uma vez que existem fatores/parâmetros que influenciam negativamente a eficiência. Assim o COPh real é dado pelo produto da eficiência de Carnot e pela eficiência do sistema (Equação 3). Sendo que, a eficiência do sistema varia entre 50% e 70% .

Tipos de Refrigerantes

A escolha do refrigerante é dependente da aplicação final. Existem vários critério de seleção, tais como: a gama de temperaturas ( acima de uma determinada temperatura o refrigerante atinge uma temperatura supercrítica, isto é, a fase fluida e gasosa não se conseguem distinguir), a pressão (alguns refrigerantes sujeitos a elevadas temperaturas levam ao aumento da pressão o que inviabiliza o funcionamento da bomba de calor, a baixas pressões faz aumentar o volume de varrimento, logo implicam maiores custos de investimento – Figura 4) , a eficiência energética da bomba de calor, o ciclo de termodinâmico de cada refrigerante e o tamanho da instalação industrial.

Figura 4- Relação entre a pressão e temperatura para cada refrigerante .

Os refrigerantes podem ser de dois tipos, naturais ou sintéticos. Dentro dos naturais, destacam-se o butano (R600), o isobutano (R600a), a Amónia (R717), o C02 (R744) e a água (R718). O butano e o isobutano são usados para bombas de calor com temperaturas superiores a 80ºC e para instalações de refrigeração. A amónia é o refrigerante natural mais usado em instalações industriais de grande escala, tendo como vantagens: a sua alta eficiência, não contribui para o efeito de estufa e ainda, pode fornecer calor a uma temperatura até 90 ºC. Relativamente ao refrigerante CO2, este muitas vezes é combinado com amónia de maneira a diminuir o consumo de amónia no sistema. A água é o refrigerante que pode ser facilmente adquirido, não causando danos significativos ao meio ambiente e pode ser usada a temperaturas superiores a 100ºC . .

Os refrigerante sintéticos mais comumente usados são: os hidrofluorocarbonetos ( R134a, R407c eR410a). Estes tipos de refrigerantes tem a particularidade, comparativamente com os refrigerantes sintéticos, de contribuírem negativamente para o efeito de estufa. O R407C e o R410A são aplicados em sistemas de bomba de calor de médio e pequeno porte, enquanto que o R134A é usado em sistema de bomba de calor de médio ou grande porte.

Classificação das bombas de calor

De acordo com o fluido usado para a transferência de calor (HPs) da fonte fria para a bomba de calor, e da bomba de calor para a fonte quente, podem haver 3 tipos: bombas de calor de fonte de ar (ASHP), bombas de calor de fonte de água (WSHP) e bombas de calor de fonte no solo (GSHP).

Bombas de calor de fonte de ar (ASHP)

A fonte de calor deste tipo de bombas é o ar externo, sendo estas divididas em HPs ar para ar e HPs ar para água, de acordo com o fluido de transferência de calor utilizado para a distribuição de energia (água ou ar). Estas são as mais usadas a nível industrial e funcionam de forma mais eficiente em climas moderados.

Bombas de calor de fonte de água (WSHP)

Neste tipo de bombas a água é a fonte de calor onde ocorre a dissipação do calor através desta. A água é o elemento mais abundante no planeta Terra, logo é facilmente extraída de lagos, lagoas, riachos, poços ou águas subterrâneas. Este tipo de bombas esta subdivido em dois grupos: os HPs água para ar que utilizam o ar para transmitir calor a partir do espaço condicionado e os HPs água para água, estes usam água como fonte de calor e afundam para o aquecimento e arrefecimento.

Bombas de calor de fonte no solo (GSHP)

Este tipo de bombas de calor aproveitam a energia térmica armazenada no subsolo. As temperaturas do solo são relativamente constantes, oferecendo desta forma uma operação mais eficiente. No entanto, a instalação deste tipo de bombas requer mais custos associados devido à necessidade de escavação e instalações de tubulação subterrânea.

Aplicações

As bombas de calor são usadas no mercado e na indústria. Relativamente ao mercado estas são usadas em restaurantes, hotéis, hospitais, entre outros. Dependendo do fim do seu uso, isto é, para arrefecer (ar condicionado e arrefecimento de águas potável) ou para aquecer (aquecimento de água de banho, saneamento) . Na indústria as bombas de calor são usadas essencialmente em processos de secagem, lavagem, aquecimento de água do processo com calor residual de um sistema de refrigeração, na pauteurização e muitas outras aplicações.